매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화

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1. 개요

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 1985년 개발된 질량 분석 기술로, 레이저를 사용하여 시료를 이온화한다. 이 기술은 펩타이드, 단백질, 지질 등 다양한 생체 분자 분석에 활용되며, 단백질체학, 유기 화학, 미생물 식별 등 다양한 분야에서 응용된다. MALDI는 매트릭스와 레이저를 사용하여 이온화 효율을 높이며, 진단, 치료법 결정, 신약 개발 등 의료 분야에서도 중요한 역할을 한다. AP-MALDI, IR-MALDI, MALDI-2와 같은 발전된 형태의 기술도 존재한다.

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매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화
일반 정보
MALDI 모식도
유형	이온화 기술
사용 분야	질량 분석법 단백질체학 당쇄체학 지질체학
원리
과정	분석 물질을 매트릭스와 혼합 레이저 조사 탈착 및 이온화 발생
세부 정보
매트릭스	저분자 유기산 2,5-다이하이드록시벤조산(DHB) α-사이아노-4-하이드록시신남산(CHCA) 3,5-다이메톡시-4-하이드록시신남산(SA)
레이저	자외선 레이저 (일반적) 질소 레이저(337 nm) Nd:YAG 레이저(355 nm)
이온화 메커니즘	광화학적 과정 프로톤화 또는 탈프로톤화
응용
분야	생물학 화학 의학
분석 대상	단백질 펩타이드 탄수화물 지질 폴리머
장점 및 단점
장점	높은 감도 큰 분자 분석 가능 빠른 분석 시간
단점	매트릭스 간섭 정량 분석의 어려움
관련 기술
관련 기술	전기분무 이온화(ESI) 표면 보조 레이저 탈착/이온화(SALDI)
역사
개발자	프란츠 힐렌캄프 미하엘 카라스
연도	1980년대 후반
추가 정보
기타	매트릭스의 선택은 분석 물질에 따라 최적화되어야 함. MALDI-TOF MS는 일반적인 분석 플랫폼임.

2. 역사

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)라는 용어는 1985년 프란츠 힐렌캄프, 미하엘 카라스와 그들의 동료들에 의해 만들어졌다.^[3] 이 연구자들은 아미노산 알라닌이 아미노산 트립토판과 혼합되어 266 nm 펄스 레이저로 조사될 때 더 쉽게 이온화될 수 있다는 것을 발견했다. 트립토판은 레이저 에너지를 흡수하여 흡수하지 않는 알라닌의 이온화를 돕고 있었다. 2843 Da 펩타이드 멜리틴까지의 펩타이드는 이러한 종류의 "매트릭스"와 혼합될 때 이온화될 수 있었다.^[4] 대분자 레이저 탈착 이온화의 획기적인 발전은 1987년 시마즈사의 다나카 코이치와 그의 동료들이 30 nm 코발트 입자를 글리세롤에 결합시킨 "초미세 금속 플러스 액체 매트릭스 방법"을 사용하고 337 nm 질소 레이저를 이온화에 사용하면서 이루어졌다.^[5] 다나카는 이 레이저와 매트릭스 조합을 사용하여 34,472 Da 단백질 카르복시펩티다제-A와 같은 큰 생체 분자를 이온화할 수 있었다. 다나카는 레이저 파장과 매트릭스의 적절한 조합으로 단백질을 이온화할 수 있음을 입증한 공로로 2002년 노벨 화학상의 4분의 1을 받았다.^[6] 그 후 카라스와 힐렌캄프는 니코틴산 매트릭스와 266 nm 레이저를 사용하여 67 kDa 단백질 알부민을 이온화할 수 있었다.^[7] 355 nm 레이저와 신남산 유도체 페룰산, 카페산, 시나핀산을 매트릭스로 사용하면서 추가적인 개선이 이루어졌다.^[10] 337 nm 파장에서 작동하는 작고 비교적 저렴한 질소 레이저의 이용 가능성과 1990년대 초에 도입된 최초의 상업용 기기는 MALDI를 점점 더 많은 연구자들에게 제공했다.^[8] 오늘날, MALDI 질량 분석법에는 주로 유기 매트릭스가 사용된다.

2. 1. 초기 발전

1985년 프란츠 힐렌캄프, 미하엘 카라스 등이 MALDI 용어를 처음 사용했다.^[3] 이들은 아미노산 알라닌이 트립토판과 혼합되어 266 nm 펄스 레이저로 조사될 때 더 쉽게 이온화되며, 트립토판이 레이저 에너지를 흡수하여 알라닌의 이온화를 돕는다는 것을 발견했다. 이들은 2843 Da 펩타이드 멜리틴까지 이온화할 수 있었다.^[4]

1987년에는 시마즈 제작소의 다나카 고이치 연구팀이 "초미세 금속 + 액체 매트릭스 방법"을 개발하여 단백질과 같은 고분자 이온화에 성공했다.^[5] 이 방법은 30 nm 코발트 입자를 글리세롤에 결합시킨 매트릭스와 337 nm 질소 레이저를 사용했으며, 34,472 Da 단백질 카르복시펩티다제-A와 같은 큰 생체 분자를 이온화할 수 있었다. 다나카 고이치는 이 공로로 2002년 노벨 화학상을 수상했다.^[6]

이후 카라스와 힐렌캄프는 니코틴산 매트릭스와 266 nm 레이저를 사용하여 67 kDa 단백질 알부민을 이온화하는 데 성공했다.^[7] 355 nm 레이저와 신남산 유도체 페룰산, 카페산, 시나핀산을 매트릭스로 사용하면서 더 큰 분자량의 단백질 이온화가 가능해졌다.^[10] 1990년대 초, 337 nm 파장에서 작동하는 작고 저렴한 질소 레이저를 이용한 상업용 기기가 도입되면서 MALDI는 더 많은 연구자들에게 널리 보급되었다.^[8]

2. 2. 추가 개선 및 상용화

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)라는 용어는 1985년 프란츠 힐렌캄프, 미하엘 카라스와 그들의 동료들에 의해 만들어졌다.^[3] 이들은 아미노산 알라닌이 트립토판과 혼합되어 266 nm 펄스 레이저로 조사될 때 더 쉽게 이온화될 수 있다는 것을 발견했다.^[4] 1987년 시마즈사의 다나카 코이치와 그의 동료들은 30 nm 코발트 입자를 글리세롤에 결합시킨 "초미세 금속 플러스 액체 매트릭스 방법"을 사용하고 337 nm 질소 레이저를 사용하여 34,472 Da 단백질 카르복시펩티다제-A를 이온화하였다.^[5] 다나카는 이 공로로 2002년 노벨 화학상의 4분의 1을 받았다.^[6]

그 후 카라스와 힐렌캄프는 니코틴산 매트릭스와 266 nm 레이저를 사용하여 67 kDa 단백질 알부민을 이온화할 수 있었다.^[7] 신남산 유도체인 페룰산, 카페산, 시나핀산을 매트릭스로 사용하면서 더 높은 효율의 이온화가 가능해졌다.^[10] 1990년대 초, 337 nm 파장의 질소 레이저를 사용하는 상용 MALDI 기기가 출시되면서 MALDI 기술이 널리 보급되었다.^[8]

3. 원리

레이저는 건조된 액적 지점의 매트릭스 결정에 조사된다. 매트릭스는 레이저 에너지를 흡수하며, 주로 매트릭스가 탈착되고 (양성자 부가에 의해) 이온화된다.^[38] 절제 과정에서 생성된 뜨거운 플룸은 중성 및 이온화된 매트릭스 분자, 양성자화 및 탈양성자화된 매트릭스 분자, 매트릭스 클러스터 및 나노액적 등 여러 종류의 물질을 포함한다. 절제된 물질은 분석물의 이온화에 관여할 수 있지만, MALDI의 메커니즘은 여전히 논쟁의 대상이다. 일반적으로 매트릭스는 양성자를 분석물 분자(예: 단백질 분자)로 전달하여 분석물을 대전시키는 것으로 알려져있다.^[38]

이 과정을 거쳐 관찰된 이온은 첨가되거나 제거된 이온을 가진 초기 중성 분자 [M]으로 구성된다. 이것은 준분자 이온이라고 하며, 예를 들어 양성자가 첨가된 경우 [M+H]⁺, 나트륨 이온이 첨가된 경우 [M+Na]⁺, 양성자가 제거된 경우 [M-H]⁻로 표시된다. MALDI는 매트릭스의 특성, 레이저 강도 및/또는 사용된 전압에 따라 단일 전하 이온 또는 다중 전하 이온([M+nH]ⁿ⁺)을 생성할 수 있다. 이러한 모든 이온은 짝수 전자 종이다. 매트릭스 분자 및 기타 유기 분자의 경우 라디칼 양이온(광이온화된 분자)의 이온 신호가 관측될 수 있다.

UV 레이저 MALDI의 기체상 양성자 전달 모델^[2]은 결합된 물리적 및 화학적 역학(CPCD) 모델로 구현되어^[39] 이온화를 유발하는 1차 및 2차 과정을 가정한다.^[40] 1차 과정은 매트릭스에 의한 광자 흡수를 통한 초기 전하 분리 및 에너지 풀링을 포함하여 매트릭스 이온 쌍을 형성한다. 1차 이온 형성은 UV 광자를 흡수하여 다음과 같은 여기 상태 분자를 생성한다.

:S₀ + hν → S₁

:S₁ + S₁ → S₀ + S_n

:S₁ + S_n → M⁺ + M⁻

여기서 S₀은 바닥 전자 상태, S₁은 첫 번째 전자 여기 상태, S_n은 더 높은 전자 여기 상태이다.^[39] 생성된 이온은 위에서 M⁺ 및 M⁻로 표시된 양성자 전달 또는 전자 전달 이온 쌍일 수 있다. 2차 과정은 분석물 이온을 형성하기 위한 이온-분자 반응을 포함한다.

럭키 서바이버 모델에서 양이온은 매트릭스와 분석물을 포함하는 고체의 분해 동안 생성된 고도로 대전된 클러스터로부터 형성될 수 있다.

럭키 서바이버 모델(클러스터 이온화 메커니즘^[2])은 분석물 분자가 용액에서 전하 상태를 유지하면서 매트릭스에 통합된다고 가정한다.^[41]^[42] 이온 형성은 레이저 절제된 클러스터의 단편화에 따른 전하 분리를 통해 발생한다.^[2] 광전자 또는 반대 이온과의 재결합에 의해 중화되지 않은 이온은 소위 럭키 서바이버이다.

열 모델은 고온이 녹은 매트릭스 액체에서 매트릭스와 분석물 사이의 양성자 전달을 촉진한다고 가정한다.^[43] 이온 대 중성 비는 이론적 모델을 정당화하는 중요한 매개변수이며, 이온 대 중성 비의 잘못된 인용은 이온화 메커니즘의 잘못된 결정을 초래할 수 있다.^[44] 이 모델은 분석물의 농도 및 양성자 친화도의 함수로서 총 이온 강도의 증가를 정량적으로 예측하며, 레이저 플루언스의 함수로서 이온 대 중성 비를 예측한다.^[45]^[46] 또한 이 모델은 금속 이온 부가체(예: [M+Na]⁺ 또는 [M+K]⁺)가 열적으로 유도된 염의 용해로부터 주로 생성된다는 것을 시사한다.^[47]

매트릭스 보조 이온화 (MAI) 방법은 MALDI와 유사한 매트릭스 준비를 사용하지만 휘발성 또는 비휘발성 화합물의 분석물 이온을 생성하기 위해 레이저 절제를 필요로 하지 않는다.^[48] 질량 분석기의 진공에 분석물이 있는 매트릭스를 노출시키는 것만으로도 전기분무 이온화와 거의 동일한 전하 상태를 가진 이온이 생성된다.^[49] 이 과정과 MALDI 사이에는 기계적 공통성이 있을 가능성이 높다고 제안된다.^[42]

일반적으로 이온 수율은 10⁻⁴에서 10⁻⁷ 범위로 추정되며,^[50] 일부 실험에서는 10⁻⁹과 같이 더 낮은 수율을 시사한다.^[51] 낮은 이온 수율 문제는 MALDI가 도입된 직후부터 다양한 시도를 통해 해결되었으며, 두 번째 레이저를 활용한 후 이온화가 포함되었다.^[52]

물질에 자외선 레이저 광선을 조사하면 물질이 빛을 흡수하여 광전자 이동이 진행되어 이온화된다. 이 직접적인 레이저 조사에 의한 이온화법을 레이저 탈착 이온화법(Laser Desorption / Ionization, LDI)이라고 한다. 그러나 LDI에서는 물질의 종류에 따라 효율적인 전자 이동이 이루어지지 않고 시료가 레이저에 의해 손상을 입는다는 단점이 있었다. 그래서 레이저 광선에 의해 이온화되기 쉬운 물질을 '''매트릭스'''로 하여 시료와 미리 혼합해 놓고 이에 레이저를 조사하여 이온화하는 기법, 즉 MALDI가 개발되었다.

시료와 매트릭스의 혼합물(혼정)에 질소 레이저(파장 337 nm)의 펄스를 쏘면, 매트릭스는 순식간에 여기되어 받은 레이저의 잉여 에너지를 열 에너지로 방출한다. 그 결과, 매트릭스와 시료는 기화되고, 동시에 매트릭스-시료 간에 양성자 수수가 일어나 시료가 이온화된다. 이때 생기는 이온은 주로 [M+H]⁺, [M+Na]⁺, [M-H]^- 등이다. 시료의 종류에 따라 [M+]나 [M-H]^-도 관측된다. 또한, MALDI에서 생기는 이온은 대부분 일가 이온이지만, 이가 이온([M+2H]²⁺)이 생성되는 경우도 있다.

생성된 이온은 질량 분석기를 통해 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리, 검출된다.^[23]^[24]^[25] 주로 넓은 질량 범위를 갖는 비행 시간 질량 분석기(Time-of-Flight, TOF)가 널리 사용되는데, 이는 펄스 레이저가 개별 '샷'을 수행하므로 MALDI 이온화 공정에 적합하다.^[28] MALDI-TOF 기기에는 리플렉트론 ("이온 거울")이 장착되어 이온 비행 경로를 늘리고 분해능을 향상시키는 경우가 많다. 최신 상용 리플렉트론 TOF 기기는 50,000 FWHM 이상의 분해능을 달성한다.^[28]

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 비행 시간형 질량 분석기 기기 다이어그램. 복사 에너지에 의해 이온화된 시료 매트릭스가 표면에서 방출된다. 시료는 질량 분석기로 이동하여 실질적으로 검출된다.

MALDI는 IMS-TOF MS와 결합하여 인산화된 펩타이드와 비인산화된 펩타이드를 식별하는 데 사용될 수 있다.^[29]^[30] MALDI-FT-ICR MS는 고분해능 MALDI-MS 측정을 원하는 경우 유용하다.^[31]

3. 1. 매트릭스의 역할

매트릭스는 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)에서 레이저 에너지를 흡수하여 시료 분자의 이온화를 돕는 핵심적인 역할을 수행한다.^[15] 적절한 매트릭스 선택은 성공적인 MALDI 분석의 필수 조건이다.^[22]

매트릭스는 결정화된 분자로 구성되며, 시나핀산, α-시아노-4-하이드록시신남산 (α-CHCA, 알파-시아노 또는 알파-매트릭스) 및 2,5-다이하이드록시벤조산 (DHB)이 가장 일반적으로 사용된다.^[15]

'''UV 매트릭스 목록'''
화합물	다른 이름	용매	파장 (nm)	응용 분야
2,5-다이하이드록시벤조산(겐티스산)^[9]	DHB, 겐티스산	아세토니트릴, 물, 메탄올, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 올리고당
3,5-다이메톡시-4-하이드록시신남산^[10]^[11]	시나프산; 시나핀산; SA	아세토니트릴, 물, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 단백질, 지질
4-하이드록시-3-메톡시신남산^[10]^[11]	페룰산	아세토니트릴, 물, 프로판올	337, 355, 266	단백질
α-시아노-4-하이드록시신남산^[12]	CHCA	아세토니트릴, 물, 에탄올, 아세톤	337, 355	펩타이드, 지질, 뉴클레오타이드
피콜린산^[13]	PA	에탄올	266	올리고뉴클레오타이드
3-하이드록시피콜린산^[14]	HPA	에탄올	337, 355	올리고뉴클레오타이드

이들은 종종 산성이므로 분석물의 이온화를 장려하기 위해 양성자 공급원 역할을 한다.^[16] 매트릭스 용액은 분석물(예: 단백질 시료)과 혼합된 후 MALDI 플레이트에 도포된다. 용매가 기화되면 재결정화된 매트릭스만 남게 되고, 여기에 분석물 분자가 내장되어 공동 결정화된다.^[18]

나프탈렌 및 나프탈렌 유사 화합물도 시료를 이온화하기 위한 매트릭스로 사용될 수 있다.

적합한 매트릭스 화합물은 분자량이 비교적 낮지만 증발하지 않을 정도로 충분히 커야 하며, UV 또는 IR 범위에서 강한 광학 흡수를 가져야 한다.^[17] 이러한 효율성은 신남산의 구조에서 볼 수 있듯이 여러 개의 공액 이중 결합을 통합하는 화학 구조와 관련이 있다. 매트릭스는 극성 그룹으로 작용하여 수용액에서 사용할 수 있으며, 일반적으로 발색단을 포함한다.

공액 계가 있는 분자(예: 나프탈렌 유사 화합물)도 전자 수용체, 따라서 MALDI/TOF의 매트릭스 역할을 할 수 있다.^[19]^[20] 클로로필과 같은 포르피린 유사 화합물을 연구하는데 이러한 매트릭스가 사용될수 있다.^[21]

3. 2. 이온화 과정

레이저는 건조된 액적 지점의 매트릭스 결정에 조사된다. 매트릭스는 레이저 에너지를 흡수하며, 주로 매트릭스가 탈착되고 (양성자 부가에 의해) 이온화된다.^[38] 절제 과정에서 생성된 뜨거운 플룸은 중성 및 이온화된 매트릭스 분자, 양성자화 및 탈양성자화된 매트릭스 분자, 매트릭스 클러스터 및 나노액적 등 여러 종류의 물질을 포함한다. 절제된 물질은 분석물의 이온화에 관여할 수 있지만, MALDI의 메커니즘은 여전히 논쟁의 대상이다. 일반적으로 매트릭스는 양성자를 분석물 분자(예: 단백질 분자)로 전달하여 분석물을 대전시키는 것으로 알려져있다.^[38]

이 과정을 거쳐 관찰된 이온은 첨가되거나 제거된 이온을 가진 초기 중성 분자 [M]으로 구성된다. 이것은 준분자 이온이라고 하며, 예를 들어 양성자가 첨가된 경우 [M+H]⁺, 나트륨 이온이 첨가된 경우 [M+Na]⁺, 양성자가 제거된 경우 [M-H]⁻로 표시된다. MALDI는 매트릭스의 특성, 레이저 강도 및/또는 사용된 전압에 따라 단일 전하 이온 또는 다중 전하 이온([M+nH]ⁿ⁺)을 생성할 수 있다. 이러한 모든 이온은 짝수 전자 종이다. 매트릭스 분자 및 기타 유기 분자의 경우 라디칼 양이온(광이온화된 분자)의 이온 신호가 관측될 수 있다.

UV 레이저 MALDI의 기체상 양성자 전달 모델^[2]은 결합된 물리적 및 화학적 역학(CPCD) 모델로 구현되어^[39] 이온화를 유발하는 1차 및 2차 과정을 가정한다.^[40] 1차 과정은 매트릭스에 의한 광자 흡수를 통한 초기 전하 분리 및 에너지 풀링을 포함하여 매트릭스 이온 쌍을 형성한다. 1차 이온 형성은 UV 광자를 흡수하여 다음과 같은 여기 상태 분자를 생성한다.

:S₀ + hν → S₁

:S₁ + S₁ → S₀ + S_n

:S₁ + S_n → M⁺ + M⁻

여기서 S₀은 바닥 전자 상태, S₁은 첫 번째 전자 여기 상태, S_n은 더 높은 전자 여기 상태이다.^[39] 생성된 이온은 위에서 M⁺ 및 M⁻로 표시된 양성자 전달 또는 전자 전달 이온 쌍일 수 있다. 2차 과정은 분석물 이온을 형성하기 위한 이온-분자 반응을 포함한다.

럭키 서바이버 모델(클러스터 이온화 메커니즘^[2])은 분석물 분자가 용액에서 전하 상태를 유지하면서 매트릭스에 통합된다고 가정한다.^[41]^[42] 이온 형성은 레이저 절제된 클러스터의 단편화에 따른 전하 분리를 통해 발생한다.^[2] 광전자 또는 반대 이온과의 재결합에 의해 중화되지 않은 이온은 소위 럭키 서바이버이다.

열 모델은 고온이 녹은 매트릭스 액체에서 매트릭스와 분석물 사이의 양성자 전달을 촉진한다고 가정한다.^[43] 이온 대 중성 비는 이론적 모델을 정당화하는 중요한 매개변수이며, 이온 대 중성 비의 잘못된 인용은 이온화 메커니즘의 잘못된 결정을 초래할 수 있다.^[44] 이 모델은 분석물의 농도 및 양성자 친화도의 함수로서 총 이온 강도의 증가를 정량적으로 예측하며, 레이저 플루언스의 함수로서 이온 대 중성 비를 예측한다.^[45]^[46] 또한 이 모델은 금속 이온 부가체(예: [M+Na]⁺ 또는 [M+K]⁺)가 열적으로 유도된 염의 용해로부터 주로 생성된다는 것을 시사한다.^[47]

매트릭스 보조 이온화 (MAI) 방법은 MALDI와 유사한 매트릭스 준비를 사용하지만 휘발성 또는 비휘발성 화합물의 분석물 이온을 생성하기 위해 레이저 절제를 필요로 하지 않는다.^[48] 질량 분석기의 진공에 분석물이 있는 매트릭스를 노출시키는 것만으로도 전기분무 이온화와 거의 동일한 전하 상태를 가진 이온이 생성된다.^[49] 이 과정과 MALDI 사이에는 기계적 공통성이 있을 가능성이 높다고 제안된다.^[42]

일반적으로 이온 수율은 10⁻⁴에서 10⁻⁷ 범위로 추정되며,^[50] 일부 실험에서는 10⁻⁹과 같이 더 낮은 수율을 시사한다.^[51] 낮은 이온 수율 문제는 MALDI가 도입된 직후부터 다양한 시도를 통해 해결되었으며, 두 번째 레이저를 활용한 후 이온화가 포함되었다.^[52]

물질에 자외선 레이저 광선을 조사하면 물질이 빛을 흡수하여 광전자 이동이 진행되어 이온화된다. 이 직접적인 레이저 조사에 의한 이온화법을 레이저 탈착 이온화법(Laser Desorption / Ionization, LDI)이라고 한다. 그러나 LDI에서는 물질의 종류에 따라 효율적인 전자 이동이 이루어지지 않고 시료가 레이저에 의해 손상을 입는다는 단점이 있었다. 그래서 레이저 광선에 의해 이온화되기 쉬운 물질을 '''매트릭스'''로 하여 시료와 미리 혼합해 놓고 이에 레이저를 조사하여 이온화하는 기법, 즉 MALDI가 개발되었다.

시료와 매트릭스의 혼합물(혼정)에 질소 레이저(파장 337 nm)의 펄스를 쏘면, 매트릭스는 순식간에 여기되어 받은 레이저의 잉여 에너지를 열 에너지로 방출한다. 그 결과, 매트릭스와 시료는 기화되고, 동시에 매트릭스-시료 간에 양성자 수수가 일어나 시료가 이온화된다. 이때 생기는 이온은 주로 [M+H]⁺, [M+Na]⁺, [M-H]^- 등이다. 시료의 종류에 따라 [M+]나 [M-H]^-도 관측된다. 또한, MALDI에서 생기는 이온은 대부분 일가 이온이지만, 이가 이온([M+2H]²⁺)이 생성되는 경우도 있다.

3. 3. 질량 분석

생성된 이온은 질량 분석기를 통해 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리, 검출된다.^[23]^[24]^[25] 주로 넓은 질량 범위를 갖는 비행 시간 질량 분석기(Time-of-Flight, TOF)가 널리 사용되는데, 이는 펄스 레이저가 개별 '샷'을 수행하므로 MALDI 이온화 공정에 적합하다.^[28] MALDI-TOF 기기에는 리플렉트론 ("이온 거울")이 장착되어 이온 비행 경로를 늘리고 분해능을 향상시키는 경우가 많다. 최신 상용 리플렉트론 TOF 기기는 50,000 FWHM 이상의 분해능을 달성한다.^[28]

MALDI는 IMS-TOF MS와 결합하여 인산화된 펩타이드와 비인산화된 펩타이드를 식별하는 데 사용될 수 있다.^[29]^[30] MALDI-FT-ICR MS는 고분해능 MALDI-MS 측정을 원하는 경우 유용하다.^[31]

4. 매트릭스

매트릭스는 결정화된 분자로 구성되며, 가장 일반적으로 사용되는 세 가지는 시나핀산, α-시아노-4-하이드록시신남산 (α-CHCA, 알파-시아노 또는 알파-매트릭스) 및 2,5-다이하이드록시벤조산 (DHB)이다.^[15] 이 분자 중 하나의 용액은 종종 고도로 정제된 물과 아세토니트릴 (ACN) 또는 에탄올과 같은 유기 용매의 혼합물로 만들어진다. 트리플루오로아세트산 (TFA)과 같은 반대 이온 공급원은 일반적으로 [M+H] 이온을 생성하기 위해 첨가된다.

적합한 매트릭스 화합물의 식별은 어느 정도 시행착오에 의해 결정되지만, 몇 가지 특정 분자 설계 고려 사항을 기반으로 한다. 분자량이 비교적 낮지만 (쉽게 기화되도록), 시료 준비 중이나 질량 분석기 내에서 가만히 있을 때 증발하지 않을 정도로 충분히 크다(증기압이 충분히 낮다). 그들은 종종 산성이므로 분석물의 이온화를 장려하기 위해 양성자 공급원 역할을 한다. 염기성 매트릭스도 보고되었다.^[16] 그들은 UV 또는 IR 범위에서 강한 광학 흡수를 가지고 있어^[17] 레이저 조사를 빠르고 효율적으로 흡수한다. 이러한 효율성은 일반적으로 신남산의 구조에서 볼 수 있듯이 여러 개의 공액 이중 결합을 통합하는 화학 구조와 관련이 있다. 그들은 극성 그룹으로 작용하여 수용액에서 사용할 수 있다. 그들은 일반적으로 발색단을 포함한다.

매트릭스 용액은 분석물 (예: 단백질 시료)과 혼합된다. 물과 유기 용매의 혼합물은 소수성 및 수용성 (친수성) 분자가 용액에 용해되도록 한다. 이 용액은 MALDI 플레이트 (일반적으로 이 목적을 위해 설계된 금속 플레이트)에 도포된다. 용매가 기화되어 재결정화된 매트릭스만 남게 되지만 이제는 MALDI 결정에 분석물 분자가 내장되어 있다. 매트릭스와 분석물은 공동 결정화된다고 한다. 공동 결정화는 관심 분석물의 양질의 질량 스펙트럼을 얻기 위해 적절한 매트릭스를 선택하는 핵심 문제이다.

생물학적 시스템의 분석에서 단백질 추출물의 일부인 무기 염은 이온화 과정을 방해한다. 염은 고상 추출 또는 차가운 물로 건조된 드롭렛 MALDI 스폿을 세척하여 제거할 수 있다.^[18] 두 가지 방법 모두 시료에서 다른 물질도 제거할 수 있다. 매트릭스-단백질 혼합물은 극성 차이로 인해 공동 결정화 과정에서 두 물질이 분리되기 때문에 균질하지 않다. 표적의 스폿 직경은 레이저의 직경보다 훨씬 크므로 표적 스폿 내에서 물질 농도의 통계적 평균을 얻기 위해 표적의 다른 위치에서 많은 레이저 샷을 수행해야 한다.

매트릭스는 시료를 다른 방식으로 이온화하도록 장치를 조정하는 데 사용될 수 있다. 위에서 언급했듯이, 산-염기 반응과 같은 반응이 종종 시료를 이온화하는 데 사용되지만, 공액 계가 있는 분자(예: 나프탈렌 유사 화합물)도 전자 수용체, 따라서 MALDI/TOF의 매트릭스 역할을 할 수 있다.^[19] 이것은 또한 공액 파이 시스템을 갖는 분자를 연구하는 데 특히 유용하다.^[20] 이러한 매트릭스의 가장 널리 사용되는 응용 분야는 클로로필과 같은 포르피린 유사 화합물을 연구하는 것이다. 이러한 매트릭스는 특이한 단편화 패턴이나 측쇄의 완전한 손실을 초래하지 않는 더 나은 이온화 패턴을 갖는 것으로 나타났다.^[21] 또한 공액 포르피린 유사 분자가 매트릭스 역할을 하여 별도의 매트릭스 화합물이 필요하지 않도록 스스로 절단될 수 있다는 제안도 있었다.^[22]

'''UV 매트릭스 목록'''
화합물	다른 이름	용매	파장 (nm)	응용 분야
2,5-다이하이드록시벤조산(겐티스산)^[9]	DHB, 겐티스산	아세토니트릴, 물, 메탄올, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 올리고당
3,5-다이메톡시-4-하이드록시신남산^[10]^[11]	시나프산; 시나핀산; SA	아세토니트릴, 물, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 단백질, 지질
4-하이드록시-3-메톡시신남산^[10]^[11]	페룰산	아세토니트릴, 물, 프로판올	337, 355, 266	단백질
α-시아노-4-하이드록시신남산^[12]	CHCA	아세토니트릴, 물, 에탄올, 아세톤	337, 355	펩타이드, 지질, 뉴클레오타이드
피콜린산^[13]	PA	에탄올	266	올리고뉴클레오타이드
3-하이드록시피콜린산^[14]	HPA	에탄올	337, 355	올리고뉴클레오타이드

4. 1. 주요 매트릭스

매트릭스는 결정화된 분자로 구성되며, 가장 일반적으로 사용되는 세 가지는 시나핀산, α-시아노-4-하이드록시신남산 (α-CHCA, 알파-시아노 또는 알파-매트릭스) 및 2,5-다이하이드록시벤조산 (DHB)이다.^[15]

매트릭스는 분석 대상에 따라 다르게 선택해야 한다. 시나핀산(3,5-디메톡시-4-히드록시계피산)은 단백질과 같은 고분자량 시료 분석에 적합하며,^[10]^[11] CHCA (α-시아노-4-하이드록시계피산)는 펩타이드, 지질, 뉴클레오타이드등 중-고분자량 시료 분석에 적합하다.^[12] 페룰산 (''trans''-4-히드록시-3-메톡시계피산)은 단백질을 포함한 중-고분자량 시료 분석에 사용된다.^[10]^[11] 겐티스산으로도 불리는 DHBA (2,5-디히드록시벤조산)는 펩타이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 올리고당과 같은 저-중분자량 시료 분석에 적합하다.^[9] HPA (3-히드록시피콜린산)는 핵산(DNA, RNA) 분석에 적합하다.^[14] 디스라놀 (1,8-디히드록시-9,10-디히드로안트라센-9-온)도 매트릭스로 사용될 수 있다.

적합한 매트릭스 화합물은 시행착오를 거쳐 결정되지만, 몇 가지 고려 사항을 기반으로 한다. 분자량이 비교적 낮아 쉽게 기화되지만, 증기압이 낮아 시료 준비 중이나 질량 분석기 내에서 증발하지 않아야 한다. 산성 매트릭스는 양성자 공급원 역할을 하여 분석물의 이온화를 장려하며, 염기성 매트릭스도 보고되었다.^[16] UV 또는 IR 범위에서 강한 광학 흡수를 가져야 레이저 조사를 효율적으로 흡수하며,^[17] 이러한 효율성은 신남산 구조와 같이 여러 개의 공액 이중 결합을 통합하는 화학 구조와 관련이 있다. 극성 그룹으로 작용하여 수용액에서 사용할 수 있으며, 일반적으로 발색단을 포함한다.

공액 계가 있는 분자(예: 나프탈렌 유사 화합물)는 전자 수용체, 따라서 MALDI/TOF의 매트릭스 역할을 할 수 있다.^[19] 포르피린 유사 화합물 연구에 유용하며,^[20] 특이한 단편화 패턴이나 측쇄 손실 없이 더 나은 이온화 패턴을 갖는다.^[21] 공액 포르피린 유사 분자가 매트릭스 역할을 하여 별도 매트릭스 화합물이 필요하지 않도록 스스로 절단될 수 있다는 제안도 있었다.^[22]

다나카 고이치가 사용한 매트릭스는 글리세롤과 코발트의 금속 미립자를 혼합한 것이었으며, 당시 이 방법은 "소프트 레이저 탈착 이온화법"이라고 불렸다.

4. 2. 매트릭스 선택 기준

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)에서 적절한 매트릭스 화합물을 선택하는 것은 시행착오를 통해 결정되지만, 몇 가지 분자 설계 고려 사항을 기반으로 한다.^[15] 매트릭스는 분석 대상 물질의 종류, 분자량, 극성, 용해도 등을 고려하여 선택해야 한다. 일반적으로 사용되는 매트릭스에는 시나핀산, α-시아노-4-하이드록시신남산 (α-CHCA, 알파-시아노 또는 알파-매트릭스) 및 2,5-다이하이드록시벤조산 (DHB)이 있다.^[15]

매트릭스는 낮은 분자량을 가져 쉽게 기화되어야 하지만, 시료 준비 중이나 질량 분석기 내에서 증발하지 않을 정도로 충분히 커야 한다(증기압이 충분히 낮다).^[15] 또한, 레이저 파장에서 강한 흡광도를 가져야 하며,^[17] 진공 상태에서 안정적이어야 한다. 매트릭스는 종종 산성이어서 분석물의 이온화를 돕는 양성자 공급원 역할을 한다.^[15] 염기성 매트릭스도 보고된 바 있다.^[16] 이러한 효율성은 신남산의 구조에서 볼 수 있듯이 여러 개의 공액 이중 결합을 통합하는 화학 구조와 관련이 있다.^[15] 극성 그룹으로 작용하여 수용액에서 사용할 수 있으며, 발색단을 포함하는 경우가 많다.

매트릭스 용액은 분석물과 혼합된 후 MALDI 플레이트에 도포된다. 용매가 기화되면 재결정화된 매트릭스만 남게 되고, 분석물 분자는 MALDI 결정에 내장된다. 이를 매트릭스와 분석물의 공동 결정화라고 하며, 이는 양질의 질량 스펙트럼을 얻기 위해 적절한 매트릭스를 선택하는 핵심이다.^[15]

생물학적 시스템 분석에서 단백질 추출물의 무기 염은 이온화 과정을 방해할 수 있으므로, 고상 추출이나 차가운 물로 세척하여 제거할 수 있다.^[18] 그러나 이 과정에서 다른 물질도 함께 제거될 수 있다. 매트릭스와 단백질 혼합물은 극성 차이로 인해 공동 결정화 과정에서 분리될 수 있어 균질하지 않다. 따라서 표적 스폿 내에서 물질 농도의 통계적 평균을 얻기 위해 여러 위치에서 레이저 샷을 수행해야 한다.

공액 계가 있는 분자(예: 나프탈렌 유사 화합물)는 전자 수용체 역할을 하여 MALDI/TOF의 매트릭스로 사용될 수 있다.^[19] 이는 클로로필과 같은 포르피린 유사 화합물 연구에 유용하며, 특이한 단편화 패턴이나 측쇄 손실 없이 더 나은 이온화 패턴을 제공한다.^[21]

'''UV 매트릭스 목록'''
화합물	다른 이름	용매	파장 (nm)	응용 분야
2,5-다이하이드록시벤조산(겐티스산)^[9]	DHB, 겐티스산	아세토니트릴, 물, 메탄올, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 올리고당
3,5-다이메톡시-4-하이드록시신남산^[10]^[11]	시나프산; 시나핀산; SA	아세토니트릴, 물, 아세톤, 클로로포름	337, 355, 266	펩타이드, 단백질, 지질
4-하이드록시-3-메톡시신남산^[10]^[11]	페룰산	아세토니트릴, 물, 프로판올	337, 355, 266	단백질
α-시아노-4-하이드록시신남산^[12]	CHCA	아세토니트릴, 물, 에탄올, 아세톤	337, 355	펩타이드, 지질, 뉴클레오타이드
피콜린산^[13]	PA	에탄올	266	올리고뉴클레오타이드
3-하이드록시피콜린산^[14]	HPA	에탄올	337, 355	올리고뉴클레오타이드

5. 응용 분야

프로테오믹스 분야에서 MALDI는 통상적인 SDS-PAGE 및 2차원 전기영동에 의한 분리 조작과 조합하여 사용된다. 펩타이드 질량 지문법 (PMF)은 활용의 대표적인 예이다.

일반적인 MALDI는 고진공 조건 하에서 이온화를 수행하므로 크로마토그래피와 연결된 자동 분석에는 적합하지 않다. 전처리로 크로마토그래피를 사용하는 경우, 분리된 시료를 수작업으로 분취하여 MALDI에 거는 조작이 필요하다.

==== 생화학/의학 ====

단백질체학에서 MALDI는 젤 전기영동: SDS-PAGE, 크기 배제 크로마토그래피, 친화성 크로마토그래피, 강/약 이온 교환, 동위원소 부호화 단백질 표지(ICPL), 그리고 2차원 젤 전기영동을 사용하여 분리된 단백질의 신속한 식별에 사용된다.^[76]^[77] 펩타이드 질량 지문법은 MALDI-TOF 질량 분석기의 가장 인기 있는 분석 응용 프로그램이다. MALDI TOF/TOF 질량 분석기는 후원 분해 또는 고에너지 충돌 유도 해리를 사용하여 펩타이드의 아미노산 서열을 밝히는 데 사용된다(자세한 사용법은 질량 분석법 참조).^[78]

MALDI-TOF는 번역 후 변형을 특성화하는 데 사용되었다. 예를 들어, 단백질 메틸화 및 탈메틸화를 연구하는 데 널리 적용되었다.^[57]^[58] 그러나 MALDI-TOF로 번역 후 변형을 연구할 때는 주의해야 한다. 예를 들어, 디히드록시벤조산(DHB)이 글리코실화된 펩타이드의 MALDI MS 분석을 위한 매트릭스로 사용되었을 때 시알산의 손실이 확인되었다.^[59] S. Martin은 시나핀산, 4-HCCA 및 DHB를 매트릭스로 사용하여 MALDI/TOF에서 메타 안정 붕괴를 통해 글리코실화된 펩타이드에서 시알산의 손실을 선형 모드 및 반사 모드로 연구했다.^[59] 시마즈(Shimadzu Corporation)의 한 그룹은 검출 감도를 개선하기 위해 아미드화 반응으로 시알산을 유도체화했으며^[60] 이온성 액체 매트릭스가 시알산화된 올리고당의 MALDI/TOF MS 분석 동안 시알산의 손실을 줄인다는 것을 보여주었다.^[61] THAP,^[62] DHAP,^[63] 그리고 2-아자-2-티오티민과 페닐히드라진의 혼합물^[64]은 글리코실화된 펩타이드의 MALDI MS 분석 동안 시알산의 손실을 최소화하는 데 사용할 수 있는 매트릭스로 확인되었다. UV MALDI 대신 IR MALDI를 사용하면 일부 번역 후 변형의 손실 감소를 달성할 수 있다고 보고되었다.^[65] 단백질 외에도 MALDI-TOF는 지질 연구에도 적용되었다.^[66] 예를 들어, 인산화 효소의 촉매 반응을 연구하는 데 적용되었다.^[67]^[68] 지질 외에도 올리고뉴클레오타이드도 MALDI-TOF로 특성화되었다. 예를 들어, 분자 생물학에서 5-메톡시살리실산과 스페르민의 혼합물은 올리고뉴클레오타이드 합성 후 등, MALDI 질량 분석법에서 올리고뉴클레오타이드 분석을 위한 매트릭스로 사용할 수 있다.^[69]

MALDI-TOF 스펙트럼은 세균 또는 곰팡이와 같은 미생물을 식별하는 데 자주 사용된다. 이는 다른 면역학적 또는 생화학적 절차에 이점을 제공하며 임상 미생물 실험실에서 종을 식별하는 일반적인 방법이 되었다.^[79] 의심되는 집락 또는 "추정" 집락을 정제할 필요가 없기 때문에^[79] 처리 시간을 훨씬 더 빠르게 할 수 있다. 예를 들어, MALDI-TOF를 사용하여 혈액 배양에서 직접 세균을 검출할 수 있음이 입증되었다.^[80]

세균의 항생제 감수성을 예측할 수 있다는 장점도 있다. 단일 질량 스펙트럼 피크는 ''황색포도상구균''(Staphylococcus aureus)의 메티실린 내성을 예측할 수 있다.^[81] MALDI는 또한 ''Acinetobacter baumannii''^[83] 및 ''Klebsiella pneumoniae''^[84]를 포함하여 카바페넴 내성 장내세균(carbapenem-resistant enterobacteriaceae)의 카바페네마제를 감지할 수도 있다.^[82]

MALDI-TOF 스펙트럼은 질병 진단에 있어 다른 분석 및 분광 기술과 함께 사용되는 경우가 많다. MALDI/TOF는 염기 서열 분석의 비용이나 연산 능력, 또는 X선 결정학에서 결정 구조를 푸는 데 필요한 기술이나 시간 없이 단백질 및 단백질 변화를 신속하게 식별할 수 있기 때문에 잠재력이 큰 진단 도구이다.

미숙아의 장에 영향을 미치는 치명적인 질병인 괴사성 장염 (NEC)의 경우, MALDI/TOF는 NEC 양성 영아의 대변에 존재하는 박테리아를 식별하는 데 사용되었다.^[91] 췌장암의 경우, MALDI/TOF는 췌장암과 관련된 막 단백질을 식별하는 데 사용되었으며, 조기 진단 기술로 사용될 수도 있다.^[94]

MALDI/TOF는 진단뿐만 아니라 치료법을 결정하는 데에도 사용될 수 있다. MALDI/TOF는 특히 베타락탐 항생제 (페니실린 계열)에 대한 박테리아의 약물 내성을 결정하는 방법으로 사용된다. MALDI/TOF는 카바페네마제의 존재를 감지하여 표준 항생제에 대한 약물 내성을 나타낸다.^[95]

초기의 몇몇 펩타이드-펩타이드 복합체가 MALDI 증착 및 이온화를 견딜 수 있다는 관찰에 따라,^[96] MALDI-MS를 이용한 대형 단백질 복합체 연구가 보고되었다.^[97]^[98]

==== 유기 화학 ====

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 카테난, 로탁산, 덴드리머, 고분지 중합체와 같이 분자량이 수천에서 수만에 이르는 합성 거대 분자를 분석하는 데 유용하다.^[70] MALDI는 이러한 화합물의 합성을 신속하게 분석하고 결과를 확인하는 간편하고 빠른 방법을 제공한다.

고분자 화학에서 MALDI는 몰 질량 분포를 결정하는 데 사용될 수 있다.^[70] 그러나 1.2보다 큰 다분산성을 가진 고분자는 높은 질량 올리고머에 대한 신호 강도 차별 때문에 MALDI로 특성화하기 어렵다.^[71]^[72]^[73]

고분자 분석에 적합한 매트릭스는 디트라놀^[74] 또는 트리플루오로아세트산은(AgTFA)이다.^[75] 샘플을 디트라놀과 먼저 혼합한 후 AgTFA를 첨가해야 하는데, 그렇지 않으면 샘플이 용액에서 침전될 수 있다.

==== 기타 ====

MALDI는 연성 이온화원이기 때문에 다양한 생체 분자에 사용되며, MALDI 이미징 질량 분석(MALDI-imaging mass spectrometry)과 같은 새로운 방식으로 활용된다. 이 기술은 생체 조직 내 특정 분자의 공간 분포를 시각화하는 데 사용된다.^[101]

MALDI-TOF 스펙트럼은 트리파노소마^[86], 리슈만편모충^[87], 말라리아 원충^[88]과 같은 다양한 기생충 탐지 및 식별에 사용되어 왔다.^[88] 이^[89] 또는 유미유충과 같은 기생 곤충, 즉 흡충의 자유롭게 헤엄치는 단계의 식별에도 활용될 수 있다.^[90]

5. 1. 생화학/의학

단백질체학에서 MALDI는 젤 전기영동: SDS-PAGE, 크기 배제 크로마토그래피, 친화성 크로마토그래피, 강/약 이온 교환, 동위원소 부호화 단백질 표지(ICPL), 그리고 2차원 젤 전기영동을 사용하여 분리된 단백질의 신속한 식별에 사용된다.^[76]^[77] 펩타이드 질량 지문법은 MALDI-TOF 질량 분석기의 가장 인기 있는 분석 응용 프로그램이다. MALDI TOF/TOF 질량 분석기는 후원 분해 또는 고에너지 충돌 유도 해리를 사용하여 펩타이드의 아미노산 서열을 밝히는 데 사용된다(자세한 사용법은 질량 분석법 참조).^[78]

MALDI-TOF는 번역 후 변형을 특성화하는 데 사용되었다. 예를 들어, 단백질 메틸화 및 탈메틸화를 연구하는 데 널리 적용되었다.^[57]^[58] 그러나 MALDI-TOF로 번역 후 변형을 연구할 때는 주의해야 한다. 예를 들어, 디히드록시벤조산(DHB)이 글리코실화된 펩타이드의 MALDI MS 분석을 위한 매트릭스로 사용되었을 때 시알산의 손실이 확인되었다.^[59] S. Martin은 시나핀산, 4-HCCA 및 DHB를 매트릭스로 사용하여 MALDI/TOF에서 메타 안정 붕괴를 통해 글리코실화된 펩타이드에서 시알산의 손실을 선형 모드 및 반사 모드로 연구했다.^[59] 시마즈(Shimadzu Corporation)의 한 그룹은 검출 감도를 개선하기 위해 아미드화 반응으로 시알산을 유도체화했으며^[60] 이온성 액체 매트릭스가 시알산화된 올리고당의 MALDI/TOF MS 분석 동안 시알산의 손실을 줄인다는 것을 보여주었다.^[61] THAP,^[62] DHAP,^[63] 그리고 2-아자-2-티오티민과 페닐히드라진의 혼합물^[64]은 글리코실화된 펩타이드의 MALDI MS 분석 동안 시알산의 손실을 최소화하는 데 사용할 수 있는 매트릭스로 확인되었다. UV MALDI 대신 IR MALDI를 사용하면 일부 번역 후 변형의 손실 감소를 달성할 수 있다고 보고되었다.^[65] 단백질 외에도 MALDI-TOF는 지질 연구에도 적용되었다.^[66] 예를 들어, 인산화 효소의 촉매 반응을 연구하는 데 적용되었다.^[67]^[68] 지질 외에도 올리고뉴클레오타이드도 MALDI-TOF로 특성화되었다. 예를 들어, 분자 생물학에서 5-메톡시살리실산과 스페르민의 혼합물은 올리고뉴클레오타이드 합성 후 등, MALDI 질량 분석법에서 올리고뉴클레오타이드 분석을 위한 매트릭스로 사용할 수 있다.^[69]

MALDI-TOF 스펙트럼은 세균 또는 곰팡이와 같은 미생물을 식별하는 데 자주 사용된다. 이는 다른 면역학적 또는 생화학적 절차에 이점을 제공하며 임상 미생물 실험실에서 종을 식별하는 일반적인 방법이 되었다.^[79] 의심되는 집락 또는 "추정" 집락을 정제할 필요가 없기 때문에^[79] 처리 시간을 훨씬 더 빠르게 할 수 있다. 예를 들어, MALDI-TOF를 사용하여 혈액 배양에서 직접 세균을 검출할 수 있음이 입증되었다.^[80]

세균의 항생제 감수성을 예측할 수 있다는 장점도 있다. 단일 질량 스펙트럼 피크는 ''황색포도상구균''(Staphylococcus aureus)의 메티실린 내성을 예측할 수 있다.^[81] MALDI는 또한 ''Acinetobacter baumannii''^[83] 및 ''Klebsiella pneumoniae''^[84]를 포함하여 카바페넴 내성 장내세균(carbapenem-resistant enterobacteriaceae)의 카바페네마제를 감지할 수도 있다.^[82]

MALDI-TOF 스펙트럼은 질병 진단에 있어 다른 분석 및 분광 기술과 함께 사용되는 경우가 많다. MALDI/TOF는 염기 서열 분석의 비용이나 연산 능력, 또는 X선 결정학에서 결정 구조를 푸는 데 필요한 기술이나 시간 없이 단백질 및 단백질 변화를 신속하게 식별할 수 있기 때문에 잠재력이 큰 진단 도구이다.

미숙아의 장에 영향을 미치는 치명적인 질병인 괴사성 장염 (NEC)의 경우, MALDI/TOF는 NEC 양성 영아의 대변에 존재하는 박테리아를 식별하는 데 사용되었다.^[91] 췌장암의 경우, MALDI/TOF는 췌장암과 관련된 막 단백질을 식별하는 데 사용되었으며, 조기 진단 기술로 사용될 수도 있다.^[94]

MALDI/TOF는 진단뿐만 아니라 치료법을 결정하는 데에도 사용될 수 있다. MALDI/TOF는 특히 베타락탐 항생제 (페니실린 계열)에 대한 박테리아의 약물 내성을 결정하는 방법으로 사용된다. MALDI/TOF는 카바페네마제의 존재를 감지하여 표준 항생제에 대한 약물 내성을 나타낸다.^[95]

초기의 몇몇 펩타이드-펩타이드 복합체가 MALDI 증착 및 이온화를 견딜 수 있다는 관찰에 따라,^[96] MALDI-MS를 이용한 대형 단백질 복합체 연구가 보고되었다.^[97]^[98]

5. 2. 유기 화학

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 카테난, 로탁산, 덴드리머, 고분지 중합체와 같이 분자량이 수천에서 수만에 이르는 합성 거대 분자를 분석하는 데 유용하다.^[70] MALDI는 이러한 화합물의 합성을 신속하게 분석하고 결과를 확인하는 간편하고 빠른 방법을 제공한다.

고분자 화학에서 MALDI는 몰 질량 분포를 결정하는 데 사용될 수 있다.^[70] 그러나 1.2보다 큰 다분산성을 가진 고분자는 높은 질량 올리고머에 대한 신호 강도 차별 때문에 MALDI로 특성화하기 어렵다.^[71]^[72]^[73]

고분자 분석에 적합한 매트릭스는 디트라놀^[74] 또는 트리플루오로아세트산은(AgTFA)이다.^[75] 샘플을 디트라놀과 먼저 혼합한 후 AgTFA를 첨가해야 하는데, 그렇지 않으면 샘플이 용액에서 침전될 수 있다.

5. 3. 기타

MALDI는 연성 이온화원이기 때문에 다양한 생체 분자에 사용되며, MALDI 이미징 질량 분석(MALDI-imaging mass spectrometry)과 같은 새로운 방식으로 활용된다. 이 기술은 생체 조직 내 특정 분자의 공간 분포를 시각화하는 데 사용된다.^[101]

MALDI-TOF 스펙트럼은 트리파노소마^[86], 리슈만편모충^[87], 말라리아 원충^[88]과 같은 다양한 기생충 탐지 및 식별에 사용되어 왔다.^[88] 이^[89] 또는 유미유충과 같은 기생 곤충, 즉 흡충의 자유롭게 헤엄치는 단계의 식별에도 활용될 수 있다.^[90]

6. 발전된 형태의 MALDI

6. 1. AP-MALDI

대기압 (AP) 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 일반적인 대기 환경에서 작동한다는 점에서 진공 MALDI와 대조되는 이온화 기술(이온 소스)이다.^[32] 진공 MALDI에서는 일반적으로 10 mTorr 이하에서 이온이 생성되는 반면, AP-MALDI에서는 대기압에서 이온이 형성된다.^[32]

과거에는 AP-MALDI 기술의 주요 단점이 기존 진공 MALDI에 비해 제한된 감도였지만, 이온을 높은 효율로 질량 분석기로 전달할 수 있으며, 아토몰 검출 한계가 보고되었다.^[33] AP-MALDI는 단백질체학에서 신약 개발에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 질량 분석기(MS)에 사용된다. AP-MALDI 질량 분석법으로 다루어지는 주요 주제로는 단백질체학, DNA, RNA, PNA, 지질, 올리고당, 인산화 펩타이드, 박테리아, 작은 분자 및 합성 고분자의 질량 분석이 있으며, 이는 진공 MALDI 기기에서도 가능하다. AP-MALDI 이온 소스는 이온 트랩 질량 분석기^[34] 또는 전기분무 이온화 (ESI) 또는 나노ESI 소스가 장착된 다른 모든 MS 시스템에 쉽게 연결된다.

감압 하에서 이온화된 MALDI는 주로 단일 전하 이온을 생성하는 것으로 알려져 있다. 반대로, 대기압에서의 이온화는 적외선에 대해 처음으로, 그리고 나중에는 질소 레이저에 대해서도 고전하 분석물을 생성할 수 있다.^[36] 분석물의 다중 전하는 쿼드러플과 같이 작은 ''m/z'' 검출 범위를 제공하는 기기에서 단백질과 같은 고분자량 화합물을 측정할 수 있게 해주기 때문에 매우 중요하다.

AP-MALDI는 대기압 하에서 이온화가 가능한 MALDI이다. 이온화부가 고진공을 요구하지 않기 때문에 연결 가능한 전처리용 분리 장치 및 질량 분석부의 종류가 늘어나 다채로운 분석 시스템 구축이 가능하다.

6. 2. IR-MALDI

IR 레이저를 이용한 이온화는 질소 레이저와 같은 UV 레이저에 비해 다가 이온이나 클러스터 이온이 생성되기 쉽고, 분해능은 떨어지는 경향이 있다.^[26] 그러나 IR-MALDI에서는 선택 가능한 매트릭스의 종류가 많아, 일반적으로 사용되는 것 외에 호박산, 글리세린, 요소, 또는 물 등을 사용할 수 있다.^[27] 또한, 다가 이온이 생기기 쉬운 반면, 플래그먼트 이온의 생성이 억제되므로, UV-MALDI에서는 분해되어 버리는 샘플도 IR-MALDI로 분석할 가능성이 있다.

적외선 MALDI에 사용되는 적외선 레이저 파장에는 2.94 μm Er:YAG 레이저, 중적외선 광학 파라미터 발진기 및 10.6 μm 이산화 탄소 레이저가 포함된다.^[27] IR-MALDI는 더 큰 물질 제거(생물학적 샘플에 유용함), 더 적은 저질량 간섭 및 기타 매트릭스 프리 레이저 탈착 질량 분석법과의 호환성의 이점을 가지고 있다.

6. 3. MALDI-2

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